海上承臺單壁鋼吊箱設(shè)計(jì)

梁磊磊 孫艷明 駱彥兵

(中交二公局第二工程有限公司，陜西西安 710119)

1 工程簡介

1．1 工程概況

大連星海灣跨海大橋位于大連市星海灣南部海域，是大連市交通網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分，其中海上主橋?yàn)殡p塔三跨地錨式懸索橋，主梁為雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)，單層四車道，跨度布置為180 m+460 m+180 m=820 m。

索塔每根塔柱下設(shè)一個(gè)承臺，承臺之間不設(shè)橫系梁，承臺由12根φ2．5 m的鉆孔灌注樁支撐，承臺尺寸為17．3 m×23．6 m×6．05 m;承臺頂標(biāo)高為 +2．05 m，底標(biāo)高為 －4．0 m，承臺厚6．05 m，采用C45高性能混凝土。

1．2 水文氣象條件

水位:施工所處區(qū)域水深12 m～15 m，設(shè)計(jì)高水位1．66 m(高潮累計(jì)頻率10%)，設(shè)計(jì)低水位:－1．38 m(低潮累計(jì)頻率90%)，施工水位0．3 m。

潮汐:據(jù)歷年潮汐資料，大潮升2．9 m，小潮升2．3 m，平均海面1．6 m，最大潮差3．9 m，平均潮差3．7 m。

波浪:據(jù)波浪觀測資料顯示，勘區(qū)以風(fēng)浪為主，涌浪為次。星海灣海區(qū)大部分時(shí)間的波浪小于0．5 m(占70%)，大于1 m波高的時(shí)間僅占5．7%，大于2 m波高僅占0．4%，相對較平靜。

氣象:全年平均風(fēng)速5．3 m/s，臺風(fēng)最大風(fēng)速31．0 m/s，50年一遇:本市基本風(fēng)壓0．65 kN/m2。

2 設(shè)計(jì)條件及荷載工況

2．1 設(shè)計(jì)條件

索塔承臺所在位置海床標(biāo)高在－11．5 m～－12．5 m，鋼吊箱底部標(biāo)高為－6．0 m，頂標(biāo)高為+4 m，承臺頂面標(biāo)高+2．05 m，底面標(biāo)高－4．0 m，承臺高度6．05 m。封底混凝土厚度2．0 m。

2．2 荷載工況

根據(jù)鋼吊箱在施工過程中的不同階段及受力狀態(tài)，有以下幾種荷載工況:

1)下放階段。鋼吊箱在緩慢下放過程中，與外側(cè)海水保持連通，鋼吊箱內(nèi)外水壓力平衡。

2)封底混凝土澆筑階段。水下澆筑封底混凝土階段，內(nèi)外靜水壓力同樣保持平衡，封底混凝土重量通過吊桿最終傳遞至鋼護(hù)筒上。

3)抽水后承臺施工階段。封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后關(guān)閉側(cè)板上的連通管開始抽水，抽水完成時(shí)，外側(cè)靜水壓力、波浪力、水浮力均由鋼吊箱整體承擔(dān)，整個(gè)鋼吊箱達(dá)到最不利荷載狀態(tài)。

承臺分兩次澆筑，第一次澆筑2．3 m，第二次澆筑3．75 m。

3 鋼吊箱結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3．1 鋼吊箱總體結(jié)構(gòu)

鋼吊箱是一種為海上承臺施工提供無水作業(yè)環(huán)境的圍堰結(jié)構(gòu)，其阻水原理是通過鋼吊箱側(cè)壁板和封底混凝土形成一個(gè)密封空間，達(dá)到和陸地承臺施工同樣的效果。鋼吊箱主要由壁板(側(cè)板)、底板、懸吊系統(tǒng)、內(nèi)支撐等組成。鋼吊箱整體結(jié)構(gòu)如圖1，圖2所示。

圖1 鋼吊箱整體平面圖（單位：cm）

圖2 鋼吊箱整體立面示意圖（單位：m）

3．2 鋼吊箱底板

鋼吊箱底板主承重梁采用雙支H型鋼，承重梁上設(shè)置工字鋼分配梁，間距控制在50 cm左右，在鋼護(hù)筒附近留出10 cm空隙，考慮到鋼吊箱施工完成后，底板很難回收，故底板面板采用組合鋼模板，組合鋼模板與工字鋼分配梁滿焊連接。鋼吊箱底板構(gòu)造如圖3所示。

3．3 單壁鋼吊箱壁板

單壁鋼吊箱側(cè)板厚為81 cm，高10 m，面板采用10 mm鋼板，肋板采用∠75等邊角鋼，在肋板上焊接整體式桁架，桁架橫向使用∠75等邊角鋼的水平斜撐，將內(nèi)外兩道角鋼連接成橫向的桁架，桁架豎向使用∠75等邊角鋼的豎向斜撐，將內(nèi)外兩道豎向角鋼連接成豎向的桁架，在連接處使用∠100等邊角鋼連接，豎向增加［20型鋼提高單壁鋼吊箱抗彎能力。鋼吊箱壁板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 鋼吊箱底板分配梁整體布置圖

圖4 單塊壁板結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

3．4 內(nèi)支撐

內(nèi)支撐設(shè)置兩層，分別設(shè)置在－0．5 m和+3．0 m處。第一次澆筑完成后將下面第二層內(nèi)支撐拆除;內(nèi)支撐材料選取鋼管結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐圍檁為雙支H型鋼。

3．5 懸吊系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)底板承重梁和鋼護(hù)筒上承重梁均采用雙支H型鋼，吊桿采用φ32精軋螺紋鋼，共設(shè)置40根吊桿，在鋼吊箱整體下放的過程中，為了保證各個(gè)下放吊點(diǎn)下放的同步性，下放吊點(diǎn)的選擇應(yīng)盡可能少，綜合考慮只使用其中的18根，其他22根吊桿在澆筑封底混凝土?xí)r參與受力。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

針對鋼吊箱施工的過程中各階段不同的荷載工況進(jìn)行受力分析計(jì)算，計(jì)算采用MIDASCivil2012對結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算。

4．1 荷載取值

1)流水壓力。流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值按照J(rèn)TS144-1-2010港口工程荷載規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，然后以均布壓力荷載施加在側(cè)壁板上。

2)波浪力。波浪力的計(jì)算按照J(rèn)TJ 213-98海港水文規(guī)范進(jìn)行，計(jì)算時(shí)靜水位標(biāo)高取高潮水位+1．66 m，海床標(biāo)高取－12．5 m。查取水文資料，取設(shè)計(jì)波高H=2．03 m，波浪平均周期

對照波浪對建筑物的作用，分波峰和波谷兩種形態(tài)分別計(jì)算波浪力，繪制波浪壓力分布如圖5所示。

圖5 波浪壓力分布圖

3)靜水壓力。海水的容重取10．25 kN/m3，靜水壓力計(jì)算按最高水位 +1．66 m計(jì)算，最大凈水壓力p靜=γH=10．25×(1．66+6)=78．5 kPa，按倒三角形壓力荷載加載到壁板上。

4．2 計(jì)算內(nèi)容

1)鋼吊箱下放過程中底板及懸吊系統(tǒng)受力計(jì)算;2)封底混凝土澆筑過程中底板及懸吊系統(tǒng)計(jì)算;3)抽水后，鋼吊箱壁板的受力計(jì)算;4)封底混凝土計(jì)算。

4．3 計(jì)算結(jié)果

1)鋼吊箱下放階段。下放過程中，將側(cè)板自重?fù)Q算成均布壓力荷載施加在底板上，偏安全不考慮水浮力作用。

計(jì)算結(jié)果為:φ32精軋螺紋鋼吊桿應(yīng)力為367 MPa，底板懸吊系統(tǒng)主承重梁最大應(yīng)力118 MPa，鋼護(hù)筒上懸吊系統(tǒng)承重梁最大應(yīng)力106 MPa。

2)封底混凝土澆筑階段。在封底混凝土澆筑完成后，尚未與鋼護(hù)筒產(chǎn)生粘結(jié)力之前，底板及懸吊系統(tǒng)達(dá)到最不利受力狀態(tài)。

吊桿最大應(yīng)力為516 MPa，底板懸吊系統(tǒng)主承重梁最大應(yīng)力126 MPa，鋼護(hù)筒上懸吊系統(tǒng)承重梁最大應(yīng)力118 MPa，能夠滿足要求。

3)鋼吊箱內(nèi)抽水完成。抽水完成后，鋼吊箱壁板在水流力、波浪力、靜水壓力共同作用下達(dá)到最不利狀態(tài)，壁板及板后的角鋼豎肋、橫肋用板單元建立，其余用梁單元模擬。經(jīng)過分析:在封底混凝土頂面位置處，壁板有應(yīng)力集中，最大應(yīng)力166 MPa，外側(cè)桁架最大應(yīng)力為121 MPa，內(nèi)支撐最大應(yīng)力為98 MPa，滿足使用要求。

4)封底混凝土計(jì)算。封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，受力點(diǎn)轉(zhuǎn)換到了封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力上，它抵抗封底混凝土自重、鋼吊箱自重、第一次澆筑承臺混凝土重量及水浮力，須對其進(jìn)行抗浮計(jì)算。

抗浮計(jì)算分兩個(gè)階段:一個(gè)階段是鋼吊箱內(nèi)抽完水后澆筑承臺混凝土前;另一個(gè)階段是澆筑完承臺混凝土后承臺混凝土初凝前，分別計(jì)算封底混凝土與鋼護(hù)筒間粘結(jié)力及鋼吊箱圍堰的上浮力，使其滿足下式要求:

其中，K為抗浮安全系數(shù);P為封底混凝土與鋼護(hù)筒間的粘結(jié)力，按經(jīng)驗(yàn)值150 kN/m2計(jì)算;F1為鋼吊箱圍堰抽水后澆筑承臺混凝土前高潮位時(shí)的浮力;F2為鋼吊箱圍堰澆筑完承臺混凝土后初凝前低潮位時(shí)的浮力;F3為封底混凝土自重;F4為鋼吊箱自重;F5為承臺混凝土自重。

［k］=1．1，計(jì)算結(jié)果如下:

第一階段:K=3．55＞1．1，滿足要求，鋼吊箱整體不會(huì)在高潮位上浮;

第二階段:K=1．14＞1．1，滿足要求，鋼吊箱整體不會(huì)在低潮位澆筑第一層承臺混凝土?xí)r下沉。

5 結(jié)語

海上承臺單壁鋼圍堰設(shè)計(jì)，要充分考慮海洋環(huán)境對單壁鋼吊箱產(chǎn)生的影響，從現(xiàn)場組織施工結(jié)果來看，能夠很好的滿足使用要求，工藝操作簡單，材料用量合理，并能回收再利用，做到了節(jié)約工期，施工安全可靠，為后序施工奠定良好的基礎(chǔ)。

［1］ JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］ JTJ 213-98，海港水文規(guī)范［S］．

［3］ JTS144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范［S］．

［4］ 黎建寧，鮮 亮．海域深水區(qū)混凝土底板鋼吊箱圍堰施工技術(shù)［J］．施工技術(shù)，2012(5):7-8．

［5］ 張雪松，張明閃．之江大橋2號墩矩形承臺單壁鋼吊箱設(shè)計(jì)與施工［J］．公路交通科技，2012(12):9-10．